تشكيل الغاز المعدني الساخن

تشكيل المعادن بالغاز الساخن ( HMGF ) هو أسلوب لتشكيل القوالب ، حيث تُسخّن أنبوبة معدنية إلى درجة ليونة قريبة من نقطة انصهارها ولكن دونها ، ثم يُضغط عليها داخليًا بواسطة غاز لتشكيلها إلى الشكل المطلوب داخل تجويف القالب. تسمح درجات الحرارة العالية باستطالة المعدن، أو تمدده، إلى درجات أكبر بكثير دون تمزق مقارنةً بأساليب التشكيل الباردة والساخنة المستخدمة سابقًا. إضافةً إلى ذلك، يُمكن تشكيل المعدن بدقة أكبر ويتطلب قوة تشكيل إجمالية أقل من الأساليب التقليدية.

يمثل HMGF تطورًا في فعالية التكلفة وقابلية تطبيق العديد من العمليات التجارية الحالية: التشكيل فائق اللدونة ، والتشكيل بالنفخ الساخن ، ^{[ 1 ]} والتشكيل الهيدروليكي .

يمكن تصنيع الأنابيب المعقدة من عدة مكونات صفائحية يتم تشكيلها ولحامها معًا، لكن هذا يزيد التكاليف غير الضرورية ويثير مخاوف تتعلق بجودة الوصلات. تستخدم عملية التشكيل الهيدروليكي سائلًا تحت ضغوط عالية لتشكيل الأنابيب المعدنية. طُوّرت هذه العملية في الأصل لصناعة السباكة، وبحلول عام ١٩٩٠، حققت كفاءة إنتاجية مناسبة لقطاع السيارات ذي الإنتاج الضخم. عادةً ما تُجرى عملية التشكيل الهيدروليكي في درجات حرارة محيطة، مما يحد من استطالة تشكيل المعادن إلى زيادة في القطر تتراوح بين ٨-١٢٪ للألمنيوم ، وبين ٢٥-٤٠٪ للفولاذ . هذا يحد من تعقيد شكل القطعة التي يمكن إنتاجها. بالإضافة إلى ذلك، قد تكون مراكز العمل والأدوات كبيرة ومكلفة بسبب ضغوط السوائل الداخلية المطلوبة لتشكيل الأنابيب في درجات الحرارة المحيطة. أما تقنية التشكيل الهيدروليكي بالحقن (HMGF) فتُمكّن من تشكيل أنابيب ذات أشكال أكثر تعقيدًا في خطوة تشكيل واحدة فقط، وعادةً بضغط داخلي أقل من ضغط التشكيل الهيدروليكي التقليدي للأنابيب.

بدأ تشكيل النفخ بالزجاج منذ زمن بعيد، وهو الآن أسلوب شائع لتشكيل البلاستيك في هياكل مجوفة. وكما ذكرنا سابقًا، توفر خصائص المواد المسخنة العديد من مزايا المعالجة. وقد خضع التشكيل الدافئ لبحوث مكثفة خلال العقود الماضية. ويُعرَّف بأنه التشكيل عند درجة حرارة أعلى من درجة حرارة المحيط ولكن أقل من درجة حرارة إعادة التبلور للسبيكة، ^{[ 2 ]} ويمكن تطبيقه على الأنابيب باستخدام مبادئ التشكيل الهيدروليكي. وعادةً ما تكون درجات الحرارة محدودة بسبب مخاوف تتعلق بالسلامة المحيطة بسوائل التشكيل الساخنة. ^{[ 3 ]} عند هذه الدرجات، قد تظل أوقات الدورة طويلة نسبيًا، ولا تصل الاستطالات إلى مستوى التشكيل الساخن. ^{[ 4 ]}

يُستخدم التشكيل فائق اللدونة بكثرة في صناعة الطيران، ولكنه يتطلب استخدام سبائك معدنية ذات حبيبات دقيقة للغاية، يتم تشكيلها حتى قيم إجهاد عالية جدًا، ولكن بمعدل إجهاد منخفض للغاية. ولذلك، فإن التشكيل بالحقن عالي الحرارة (HMGF) أسرع من التشكيل فائق اللدونة.

كنتيجة طبيعية للتطور، أدت الحاجة إلى تقنية التشكيل الهيدروليكي عالي الحرارة (HMGF) إلى بدء الأبحاث في التسعينيات. إن أوقات الدورة السريعة، والأدوات والآلات غير المكلفة الناتجة عن الضغوط الأقل بمقدار عشرة أضعاف من التشكيل الهيدروليكي، ونسب التشكيل القصوى بسبب التشكيل بدرجة حرارة عالية، تخلق حالة عمل مقنعة للتصنيع بكميات كبيرة وبتكلفة منخفضة.

بدأ تطوير تقنيات HMGF في عام 1999 كمشروع ضمن برنامج التكنولوجيا المتقدمة (ATP) بتمويل من المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا (NIST). ^{[ 5 ]} اكتمل هذا المشروع في عام 1993، وأظهرت الأبحاث إمكانية تحقيق نسب تمدد تصل إلى 150% للألمنيوم و50% للفولاذ، مع إمكانية زيادة التمدد باستخدام التغذية الطرفية للمواد لتقليل ترقق الجدار. ^{[ 1 ]}

سعياً لمواكبة الأبحاث الأمريكية، موّل صندوق أبحاث الفحم والصلب (RFCS) مشروعاً أوروبياً. بدأ هذا المشروع في يوليو 2004، واستمر لمدة ثلاث سنوات، حيث تعمّق في دراسة عملية HMGF. وبحلول عام 2007، أثبت اتحادٌ من جهات بحثية وتجارية أوروبية مفاهيمَ لتسخينٍ وقوالب أبسط، مع التركيز على سبائك الصلب الأكثر تطلباً، مُظهراً تشوهاً حراً بنسبة 140% باستخدام التغذية الطرفية للتحكم في ترقق الجدار وتأخير التمزق . ^{[ 6 ]} الطريقة المستخدمة في هذه التجارب مسجلة ببراءة اختراع أمريكية رقم 7,285,761 .

في أوروبا أيضًا، أسفرت أبحاث موازية عن نهج مبتكر لهذا المفهوم. وبحلول عام 2006، أظهرت طريقة HEATform لتشكيل المعادن بالغاز الساخن إمكانية إنتاج أشكال معدنية فريدة لم تكن ممكنة تاريخيًا إلا في مجال نفخ الزجاج وتشكيل الأجزاء بالنفخ، وذلك بتشكيل الألومنيوم بنسبة تمدد تتجاوز 270% خلال دورة إنتاجية مدتها 20  ثانية. ونظرًا لأن التصلب والكسر اللاحق يحدّان من تشكيل سبيكة الألومنيوم عند درجات حرارة أقل من 460 درجة مئوية (860 درجة فهرنهايت) ، فقد لوحظ أفضل سلوك انسيابي عند 550 درجة مئوية (1022 درجة فهرنهايت) . وهذه درجة حرارة أعلى بكثير من إمكانيات التشكيل بالضغط باستخدام السوائل أو الغازات الدافئة. وقد حققت تقنيات HEATform للتحكم في التغذية الطرفية سماكة جدارية موحدة تصل إلى 300% من قيم الإجهاد. ^{[ 7 ]}    

في حين أن الأبحاث المهمة في مجال توافق المواد وتقنيات التحليل التنبؤي لا تزال جارية، فقد تم تسويق تشكيل الغاز المعدني الساخن من قبل شركة واحدة على الأقل تقوم بتوفير التمدد الساخن المقترن بتغذية نهاية المواد.

تُستخدم هذه التقنية عادةً في صناعات السيارات والطيران ، حيث تُعرف تقنية التشكيل الهيدروليكي الرائدة جيدًا. وتشمل التطبيقات الأخرى المعدات الرياضية والأثاث . كما تُستخدم إمكانية تشكيل مواد متعددة في القطع الزخرفية وتجهيزات السباكة .

تتوافق عملية HMGF مع جميع المعادن تقريبًا. وتتمثل أهم ميزة لها في إمكانية استخدام المواد المقاومة للتشكيل على البارد في عمليات التشكيل المعقدة. غالبًا ما تُعزز السبائك بمواد باهظة الثمن لتمكين التشكيل على البارد وزيادة قابلية التشغيل ، ولكن مع HMGF، يُمكن استخدام سبيكة أقل تكلفة، مما يُخفض أسعار القطع. ومن الأمثلة على ذلك استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ الفريتي ، مثل سبيكة 1.4512 لمكونات العادم. عادةً ما يُختار الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي الأكثر تكلفة ، مثل سبيكة 1.4301، للأجزاء التي تتطلب تشكيلًا معقدًا نظرًا لميزته بنسبة 40% في قابلية التشكيل في درجة حرارة الغرفة (38.5% مقابل 27.4% في الحالة الأوستنيتية النموذجية). ^{[ 8 ]} يُمكن استخدام سبائك المعادن القابلة للتصليد (مثل فولاذ البورون) في HMGF. في هذه الحالة، يُمكن استخدام القالب ليس فقط كأداة تشكيل، بل أيضًا كأداة تلطيف، مما يزيد من الصلابة النهائية للأنبوب المُشكّل بعد التشكيل والتبريد. تُسمى هذه العملية غالبًا "التصليد بالضغط".

• استخدام آلات ثني الأنابيب الهيدروليكية ذات المغزل